DE3813150C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Formstück nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Kohlenstoff-Fasern haben eine hohe Zugfestigkeit und werden bevorzugt als Verstärkungsfasern für Formstücke, beispielsweise Kunststofflaminate, benutzt. Es gibt bisher keine zerstörungsfreie Prüfmethode, die das Ver­ sagen der lasttragenden Kohlenstoff-Fasern in einem Faserverbundwerkstoff anzeigt. Die Untersuchung auf Faserversagen ist nur durch zerstörende Prüfmethoden, beispielsweise durch Schliffbilduntersuchung oder Matrixpyrolyse, oder durch indirekte Methoden, nämlich die Verwendung von zusätzlichen Lichtleitern aus Glas­ fasern im Formstück, möglich. Zerstörende Prüfmethoden haben den Nachteil, daß das Formstück unbrauchbar wird und nicht mehr einsetzbar ist. Der Einbau zusätzlicher Lichtleiter in das Formstück bewirkt eine erhebliche Verteuerung des Formstücks.

Ein Verfahren, von dem der Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 ausgeht, ist bekannt aus DE 36 00 034 A1. Dieses Verfahren zur Ermittlung mechanischer Fehl­ stellen an Bauelementen aus Faserverbundmaterial sieht vor, daß in das Faserverbundmaterial des Bauelements über dessen Länge sich erstreckende Drähte aus elek­ trisch leitfähigem Werkstoff eingelegt werden, die mit dem Faserverbundmaterial über die gesamte Geradlänge fest verbunden werden. An die freien Drahtenden wird eine Schwachstromquelle angeschlossen, wobei der Strom­ fluß gemessen werden kann. Dabei sind die Drähte zusätzlich zu den Fasern in das Faserverbundmaterial ein­ gelegt. Es können zwar Brüche oder Risse der Drähte festgestellt werden, jedoch ist keine präventive Über­ wachung möglich, weil ein Drahtbruch immer erst dann erkannt wird, wenn das Bauteil bereits gebrochen ist. Außerdem wird jeweils ein Paar oder Band von Drähten benötigt, um Hin- und Rückleitung sicherzustellen.

In DE-Z "Chem.-Ing.-Tech." Bd. 59 (1987), Nr. 10, S. 820, 821, sind Verbundwerkstoffe aus Metallen und Graphitfasern beschrieben, bei denen das Auftreten von Lochfraßstellen beobachtet werden kann, indem ein Impedanz-Spektrum aufgenommen wird. Eine metallische Matrix hat eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als die Graphit-Fasern, so daß die Fasern das Impedanz-Spektrum praktisch überhaupt nicht beeinflußen. Vollzogene oder bevorstehende Faserbrüche können auf diese Weise nicht ermittelt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein faserverstärktes Formstück zu schaffen, bei dem die Fasern ohne Beeinträchtigung des Formstücks überprüfbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Formstück sind die Enden der Fasern mit elektrisch leitenden Kontaktelementen ver­ bunden. Dadurch besteht die Möglichkeit, jederzeit einen elektrischen Strom durch die Kohlenstoff-Fasern zu schicken und somit den Faserwiderstand in Längs­ richtung der Fasern zu messen. Vorzugsweise erfolgt diese Widerstandsmessung mit Gleichstrom, wobei eine Konstanzstromquelle benutzt wird. Der an den Kohlen­ stoff-Fasern entstehende Spannungsabfall ist dem elektrischen Widerstand proportional. Die Widerstands­ änderungen sind direkt abhängig vom Gesamtquerschnitt aller erfaßten Fasern und somit auch von der Anzahl der stromdurchflossenen Fasern. Eine Widerstandsänderung ist somit unmittelbar auf Faserversagen zurückzuführen.

Da der elektrische Widerstand der Fasern temperatur­ abhängig ist, sollte durch gleichzeitige Ermittlung der Temperatur des Formstücks der gemessene Widerstandswert korrigiert werden. Dies geschieht vorzugsweise auf der Basis von Kalibrierkurven, die von den zu unter­ suchenden CFK-Werkstoffen vorab ermittelt werden.

Der elektrische Widerstand von CFK-Werkstoffen ist ab­ hängig von der Faserlänge, dem Faserdurchmesser, der spezifischen Leitfähigkeit, der elektrischen Strom­ stärke und der Temperatur. Um ein Aufheizen der zu untersuchenden Probe bzw. des Formteils aufgrund des fließenden Stroms zu verhindern, sollte eine Strom­ begrenzung vorgenommen werden. Dies geschieht auf ein­ fache Weise durch Verwendung einer Konstanzstromquelle.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Formstücks besteht darin, daß die Kohlenstoff-Fasern zerstörungs­ frei überprüft werden können. Eine Prüfung ist sogar im Einbauzustand bzw. beim bestimmungsgemäßen Einsatz des Formstücks möglich. Wenn es sich bei dem Formstück um ein Flugzeugteil handelt, z.B. eine Tragfläche, kann die Prüfung vom Cockpit aus ständig oder in Intervallen durchgeführt werden, ohne daß ein Ausbau des Formstücks erforderlich ist.

Die Kontaktierung der Fasern mit den Kontaktelementen erfordert große Sorgfalt um sicherzustellen, daß mög­ lichst alle Faserenden in elektrischer Verbindung mit dem Kontaktelement stehen. Hierzu wird gemäß Anspruch 2 ein flüssig aufgebrachtes Lot aus gut leitfähigen Material, z.B. Leitsilber, benutzt, welches die frei­ liegenden Faserenden vollflächig umschließt und ein­ bettet. Die Kontaktierung kann aber auch durch Be­ sputtern oder Bedampfen mit einem elektrisch leitenden Material erfolgen.

Zur Erleichterung des elektrischen Anschlusses können die Faserenden gemäß Anspruch 3 aus dem Formteil heraus­ ragen. In diesem Fall wird das Formteil so hergestellt, daß die Fasern über die Matrix hinaus überstehen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, gemäß Anspruch 4 die Faserenden durch mechanische Behandlung der Matrix freizulegen, so daß sie über die Matrix erhaben sind.

Das erfindungsgemäß mit Kontaktelementen ausgestattete Formstück ermöglicht die Prüfung der Faserverstärkung nicht nur während der bestimmungsmäßigen Verwendung des Formstücks, sondern auch bei der Herstellung. So ist es beispielsweise möglich, die Herstellungstemperatur des Formstücks durch Messung des elektrischen Widerstands während des Aushärtens in einer Presse oder einem Auto­ klaven zu kontrollieren.

Eine andere Benutzungsart der Kontaktelemente besteht darin, die Kohlenstoff-Fasern durch einen kontrol­ lierten Stromfluß aufzuheizen, um das die Fasern um­ gebende Matrixmaterial örtlich zu erwärmen. Dabei kann gleichzeitig die Erwärmung durch Messung des Strom­ durchflusses durch die Kohlenstoff-Fasern bzw. durch Messung des Spannungsabfalls an diesen Fasern kontrol­ liert werden. Das Erwärmen des Formstücks erfolgt intern und nicht von außen durch formgebundene Wärme­ übertragung und über den Wärmefluß behindernde Teile. Die Schmelzinfiltration mit Matrixmaterial wird bei CFK-Laminaten, auch bei Geweben, möglich, indem elek­ trischer Strom durch die Fasern geleitet wird und diese sich aufheizen und das angrenzende Matrixmaterial, be­ vorzugt Thermoplaste, aufschmilzt, so daß das Matrix­ material zwischen die Fasern fließen und sie voll­ ständig umhüllen kann. Das Matrixmaterial kann dabei in Form von Folien, die zwischen den Laminatlagen liegen, oder in pulvriger Form vorliegen. Es ist sogar möglich, die Temperaturen der Kohlenstoff-Fasern durch elek­ trische Aufheizung so zu steigern, daß auch metallische Werkstoffe, z.B. Aluminium oder Magnesium, als Matrix­ material benutzt werden können.

Bei dem erfindungsgemäßen Formstück kann durch die Strommessung bzw. Spannungsmessung auch eine Messung der Dehnung erfolgen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Formteils in Form eines Flugzeugflügels, dessen Faser­ verstärkung auf Unversehrtheit ständig über­ wacht wird,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Verbindung eines elektrischen Kontaktelements mit den Enden der Fasern,

Fig. 3 ein Formteil mit herausragenden Faserenden und

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der mechanischen Spannung bzw. des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von der Faserdehnung.

Das in Fig. 1 dargestellte Formteil 10 ist ein Flugzeug­ flügel, der aus mehreren Laminatschichten besteht. Mindestens eine der Laminatschichten enthält längs­ laufende Kohlenstoff-Fasern, die in Richtung des Doppel­ pfeiles 11 verlaufen. An den Enden des Formteils 10 sind die Fasern mit elektrischen Kontaktelementen 12 elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktelemente 12 an jedem Ende sind untereinander verbunden und an eine Konstanzstromquelle 13 angeschlossen, welche einen konstanten Strom in Längsrichtung durch die Fasern des Formstücks 10 treibt. Die Kontaktelemente 12 zu beiden Enden des Formstücks 10 sind ferner an ein Voltmeter 14 angeschlossen, welches den durch die Kohlenstoff-Fasern verursachten Spannungsabfall mißt.

Fig. 2 zeigt ein Formstück 10, in dem die Richtung der Kohlenstoff-Fasern ebenfalls durch einen Doppelpfeil 11 bezeichnet ist. Die Faserenden 11a sind über die Stirn­ seite der Kunstharzmatrix 16 erhaben, indem die Kunst­ harzmatrix 16 durch Schleifen, Polieren, Ätzen od. dgl. behandelt ist, wodurch Topographieunterschiede ent­ stehen und die Faserenden 11a aus der Matrix hervor­ stehen. Die Kontaktierung der Faserenden 11a erfolgt durch ein flüssig aufgebrachtes Lot 17, das um die Faserenden herumfließt, diese vollständig einschließt und anschließend erhärtet. Die Schicht 17 kann auch ein Leitsilber sein, welches durch Lösungsmittel im flüssigen Zustand aufgebracht wird und unter Verdampfen des Lösungsmittels erhärtet. Die Schicht 17 ist über einen Flansch 17a mit dem metallischen Kontaktelement 18 verbunden, an das ein Anschlußkabel 19 angelötet ist. Alternativ kann die Schicht 17 auch durch Be­ dampfen (Sputtern) leitend und haftend mit den Fasern verbunden werden.

Eine andere Möglichkeit der Kontaktierung von in Be­ lastungsrichtung orientierten Fasern oder Faserlagen zeigt Fig. 3. Das Formstück 10 ist hierbei ein Laminat aus mehreren Schichten 20, 21, 22, die parallele Fasern oder Fasergewebe enthalten. Bei dem vorliegenden Aus­ führungsbeispiel sind die Kohlenstoff-Fasern 23 der einen Schicht 20 in Belastungsrichtung orientiert, während die Fasern der darüberliegenden Schicht 21 in Querrichtung und die Fasern der dritten Schicht 22 dia­ gonal orientiert sind. Die Enden der in Hauptbelastungs­ richtung liegenden Fasern 23 ragen aus dem Formstück 10 heraus und liegen somit für die Kontaktierung frei. Die Anbindung dieser Faserenden an das Kontaktelement er­ folgt in gleicher Weise wie in Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die Veränderung des elektrischen Wider­ stands eines unidirektionalen CFK-Formstücks zusammen mit dem Spannungs-Dehnungs-Verhalten. Bei Faserbrüchen ist ein deutlicher und abrupter Anstieg des elek­ trischen Widerstandes erkennbar. Bis etwa 1,2% Dehnung ist kein Faserversagen zu beobachten. Trotzdem tritt mit zunehmender Materialspannung/Dehnung ein Anstieg des elektrischen Widerstandes auf. Anhand der Über­ wachung des elektrischen Widerstandes können daher Faserbrüche sehr leicht festgestellt werden und es kann auch vorbeugend festgestellt werden, ob ein Faserbruch bei weiterer Belastung unmittelbar bevorsteht.

Claims (5)

1. Faserverstärktes Formstück mit eingebetteten elek­ trischen Leitern, deren Enden mit elektrischen Kontaktelementen (18) für den Anschluß einer Stromquelle (13) und/oder eines Spannungsmessers (14) leitend verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Faser-Verstärkung aus Kohlenstoff-Fasern besteht und daß mehrere dieser lasttragenden Kohlenstoff-Fasern jeweils mit einem der Kontakt­ elemente verbunden sind.

2. Formstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Enden (11a) der Fasern und den Kontaktelementen (18) ein flüssig oder durch Sputtern aufgebrachtes und erhärtetes Lot (17) vorhanden ist.

3. Formstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Enden der Fasern (23) aus der Matrix des Formteils (10) herausragen.

4. Formstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Enden (11a) der Fasern durch mechanische oder chemische Behandlung über die Matrix (16) des Formteils (10) erhaben sind.

5. Formstück nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff-Fasern von Heizstrom durchflossen sind.